炼油装置加热炉节能途径与制约因素
谷华庆、秦景民、王玉辉
摘要：随着现在能源和环境问题日益突出，节能减排，降低能耗，保护地球的呼声越来越高，大家都对如何提高能源的利用率进行了很多大胆有意义的尝试，这其中就有对炼油装置中最大的耗能户--加热炉的尝试，炼油时加热炉会消耗大量的能源包括蒸汽、电能、燃料气、燃料油等等，同时随着工艺技术的不断变革以及国际原油价格不断冲击国内成品油市场，对控制能耗要求也就越来越高，所以解决炼油装置加热炉的能耗问题，提高其资源利用效率就是一个值得认真思考的问题，这不仅会为企业节省一大笔资金，同时这也是响应了国家节能减排的号召，本文就如何节能降耗，如何为炼油装置中的加热炉提供降低能耗的一个思路，为炼油装置中的加热炉的节能降耗发展提供一个方向，在此发表一下自己的看法，想为炼油装置加热炉的节能降耗，优化操作发展提供了一个方向。
关键词：炼油装置加热炉：节能；氧含量；燃料气；热效率
石油的炼制需要物理升华、化学提取两种方法，两种办法相辅相成，相互补充，但是要想做到这些，还需要提供所需的能量条件。炼油装置中的炉子就是起到给他们供热提供能量的作用，作为一个装置主要能量的提供者，其提供热量的效率将直接影响炼油工作的效率，影响整个装置的能耗，同时也会还影响油品的质量，同时也制约了整个装置的经济制造能力，某石化装置连续重整装置一共有9台加热炉，日常消耗燃料气能达到大几千或者过万每小时，燃料气的使用量是巨大的，所以，加热炉的节能降耗是需要被考虑的一个重要问题，燃料气的使用量巨大，对整个装置的能量消耗也起到了决定性的作用，是整个装置节能降耗的关键工作，也是整个装置经济收益的制约点，下面这篇文章就为大家做一个简单的介绍，大家可以从以下几个方面来了解一下相关的内容：
1、
加热炉节能的必要性
作为炼油厂的能耗黑洞，一般来说加热是炉炼油厂超过五成的能源都被加热炉所消耗，虽然炼油厂用于不同生产流程的加热炉的类型不相同，但是它们都有一个共同点就是耗能大，消耗大量的热量，在极个别的加工流程中，有一多半的能量都用来给加热炉加热使用了，可见其耗能的严重程度，但是炼油的过程中其加工装置需要保持一个基本的环境温度，给石油及各种原料提供热能，促使它进行各种物理和化学反应，否则就无法进行炼油工作，所以不管是哪一种炼油设备，加热炉都是提供热能的非常重要的设施，其节能是巨大的空间的，也是有必要的。因此，在炼油过程中，加热炉是非常重要的，连续重整装置加热炉数量多，消耗的燃料气多，占比能耗很高，所以针对技能降耗来说，针对加热炉进行节能是非常有必要的。
2、
加热炉节能的主要途径
2.1 优化燃料气及空气的换热流程
加热炉的热负荷量并不是一成不变的，它是随着加工过程的改变而不断调整变换的，因此需要在加工的过程中需要频繁进行换热工作，如果换热流程能够节能，那么就取得非常好的节能效果，优化换热流程的可行性非常高，这不仅能减少燃料气的消耗,而且还能够使其负荷降低，延长炉体的寿命，从而大大的减少燃料气消耗，降低生产成本，创造巨大的经济效益，比如，某石化连续重整装置内存在9台加热炉，正所谓是加热炉占据了耗能的大户，2021年利用检修期间，将装置内能量多余的凝结水引到加热炉前与进炉子的燃料气进行热交换，将燃料气进燃烧器的温度提高到100摄氏度，不仅降低了本就需要冷却的凝结水的温度，省掉了空冷的电耗约24.48万/年（15KW*3*0.68元=24.48万），同时也提高了加热炉的热效率约0.2%，减少了燃料气的消耗，效益可观。
2.2充分回收余热
热交换频繁，炼油的过程中负载巨大。加热炉在工作时有时需加热，有时需散热，急速的温度变换不仅耗能严重并且也折损其使用寿命。所以，尽管我们要追求效率，但是充分利用这些余热也可以极大的节约能源，减少资源的浪费。就像如果我们可以把空气冷却器散出的热空气进行回收，输送给加热炉，让其用作为燃烧空气，就可减少加热空气的过程，也就能降低能源使用成本,某石化100万吨/年连续重整自2017年11月份一次开车成功后，加热炉运行平稳，其耗能大户就是重整反应的四合一加热炉，采用的是自然通风的形式，排烟温度176摄氏度，某石化为了进一步提高加热炉的效率，挖掘余热的潜在能力，某石化拟增加余热回收装置进行改造，改造主要分为两个部分，第一部分增设装置燃料气脱硫脱氮装置，将燃料气的硫含量，氮含量降到1ppm以下，有效的降低烟气露点对设备的腐蚀，第二部分增加四合一炉烟气-空气余热回收系统，提高加热炉燃烧空气的温度，进而提高四合一炉的加热效率，达到节能降耗的目的，目标是排烟温度降到78摄氏度以下，加热炉的热效率达到95%以上，达到热炉循环利用的的目的，降低了能耗，增加了经济收益。
燃料气经过分液罐后先与过剩的凝结水进行换热至100摄氏度后再进脱硫罐进行脱硫，脱硫后的燃料气进加热炉燃烧。
原重整四合一炉为U型管方箱侧烧炉，采用自然通风的燃烧形式，烟气由各炉汇入总烟道后经加热炉顶部的烟囱排入大气，增设的余热回收系统中，高温烟气经过总热烟道处增加的下行热烟道，设置在地面的2台引风机将烟气引入空气预热器以回收烟气中余热，烟气温度降低至78摄氏度后，经上行冷烟道返回加热炉顶部的共用烟囱排入大气，冷空气由设置在地面的2台可互相自启的鼓风机送入到空气预热器与高温烟气换热，预热后的空气经热风道分别进入加热炉侧面的支风道供高效能的燃烧器燃烧使用，考虑到改造的排烟气温度较低，为避免引风机及低温辐射段发生腐蚀，空气预热器分为高温段和低温段，引风机放置在高温段预热器和低温段预热器之间，空气预热器 设有烟气旁路和空气旁路，以改变烟气和空气的换热过程，同时为避免预热管内热，采用预热管内温度降低，预热管内温度降低，为预热管内温度，采用预热管内温度，预热管内温度降低，预热管内温度，为预热管内热管外热管内热管外热管内热管外热管内热管外热管内热，烟道系统采用轻质耐热衬里内保温结构及保温棉保温检修人通道的方式，风道系统采用轻质耐热衬里内保温或耐火纤维毯外保温机构，内部有隔热的防火墙，外保温结构的外保护层为铝皮，同时为了满足燃烧要求，将原有62台燃烧器进行利旧改造，燃烧形式由自然通风改为强制通风，同时为满足原燃烧器所用火检的要求，利旧原有的火检，增设余热回收系统后，可将设计的排烟温度降到78℃，加热炉对流段发生蒸汽减少1.2t/h，加热炉热效率可达95%。
消耗及能耗
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序号 |
项目 |
消耗量小时能耗 |
燃料低热值或能耗指标 |
折合标油 |
||
|
单位 |
数量 |
单位 |
数量 |
Kg/t |
||
|
1 |
燃料气 |
kg/h |
-440 |
MJ/kg |
37.84 |
-3.97 |
|
2 |
电 |
kWh/h |
324 |
MJ/kWh |
9.546 |
0.74 |
|
3 |
3.5MPa蒸汽 |
t/h |
1.2 |
MJ/t |
3684 |
1.06 |
|
4 |
循环水 |
t/h |
5 |
MJ/t |
4.19 |
0.005 |
|
5 |
除氧水 |
t/h |
-1.2 |
MJ/t |
385.19 |
-0.11 |
|
6 |
净化空气 |
Nm3/h |
20 |
MJ/N m3 |
1.59 |
0.008 |
|
|
|
|
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|
合计 |
-2.27 |
装置节能改造后，物料没有变化，主要增加电耗324kw/h，中压蒸汽1.2t/h,循环水5t/h,净化风20Nm3/h，节省燃料气440kg/h，除氧水1.2t/h，价格体系如下：
|
电 |
0.7 |
元/度 |
燃料气 |
2800 |
元/吨 |
|
3.5MPa蒸汽 |
220 |
元/吨 |
循环水 |
0.2 |
元/吨 |
|
除氧水 |
8 |
元/吨 |
净化风 |
0.11 |
元/立方米 |
改造项目实施后，装置年平均新增净利润207万元，税后财务净现值为272万元，基本可在5-6年内收回投资费用，剩余15年左右可实现营收，效益可观。
2.3提高加热炉的加热效率
加热炉炉管内物料在加热炉炉管内所吸收的热量，占燃料燃烧所发出的热量的百分数以及其它供热之和，这就是加热炉的热效率。它是表明燃料有效利用率的一个指标，是加热炉作业的一个主要工艺参数指标，可以通过对加热炉炉管表面涂抹增强吸收热量的涂料，加强物料吸收热量，同时对加热炉内部炉墙进行喷涂增加热量反射的涂料，加强热量的吸收，减少热量的浪费达到增加系热效率的目的。
烟气排出温度的高低
，过剩空气系数大小，炉体保温情况不同，燃料完全燃烧程度而不同，加热炉的热效率完全不同，其变化范围幅度很大。在常用的过剩空气系数条件下，一般排烟温度每降低17～20℃，根据经验，则炉效率可提高1%。所以，降低排烟温度、提高加热炉热效率开好暖风系统是一项行之有效措施。同样严重影响加热炉热效率的还有过大的过剩空气系数。排烟温度愈高，它的影响也就愈大，在排烟温度为200～500℃范围内时，每下降0.1个过剩空气系数，就能提高加热炉热效率0.8～1.9%，这就是人们目前普遍强调的严格调控制，适量控制过剩空气系数的原因所在。炉体散热量约占燃料总发热量的2～4%，所以也很重要的一点是加强炉体的隔热保温
可以从以下四个方面来提高加热炉热效率：
第一、控制降低排烟温度。炼油装置随着排烟流失加热炉的热量的很大一部分。加热炉的烟气刚排除时，温度很高，其中所包含的热能也是非常巨大的，但其没有经过处理就直接排放流失却是一件非常可惜的事情。一个高效的加热炉燃料产生的热量的使用效率为30%左右，而如果当加热炉的燃料使用效率比较低时，其能量使用效率就只有10%了，超过92%的能量都随烟气流失了，可见其浪费之严重。但为降低排烟温度，可通过将需加热的水引到对流室中，通过烟气余热锅炉降低过剩空气的空气系数，达到加热的目的。现实中，加热炉中的空气燃烧不可能达到尽善尽美的状态，但是我们可以将备出的一部分过剩空气通入到加热炉中，这样可以使加热炉中的燃料燃烧的更加充分，而被通入的那部分空气就可以称为“过剩空气”。某石化听过增加余热回收，将自然通风改为降至通风，可重置分利用烟气中的能量，将排烟温度降到80摄氏度，减少了烟气中热能的损耗，将能量转移到蒸汽中。日常生产同样需要注意是，开好加热炉烟气余热回收系统，将烟气余热回收利用好，已经达到节能减排的目的，开好吹灰器，炉管表面和热管表面积灰垢后，会使炉管和热管的传热能力大大的降低，因此在日常运行中定时吹灰是降低排烟温度、提高加热炉热效率的措施之一。另外，在停产检修期间，炉管表面的积垢的清除也可强化对流传热过程，降低排烟温度；精心操作，确保炉膛温度均匀，防止局部过热和管内结焦现象，是保证炉管正常传热能力的必要条件。若管内结焦则会导致传热能力降低，炉膛温度和排烟温度都将随之而升高。
第二、降低燃烧不彻底。由于燃烧过程无法达到理想状态，燃料受客观条件影响难以与空气充分接触，因而会出现部分燃烧过程燃烧不完全的现象，加热炉内的燃料燃烧不完全。不完全燃烧对于炼油企业来说相当于变相地浪费燃料，而改进工艺又能有效地减少这一问题，这是一件令人头疼的事情。还可以通过高质量的炉膛来达到减缓燃烧不彻底的目的。在日常操作过程中，需要注意调节好“三门一板”，将进风量降到最低限度，前提是保证燃烧充分，过气系数大的一个主要原因就是炉体不严，漏风量大。杜绝漏气，既简便易行，又能收到奇效。如把采暖炉的漏风点全部堵死(如停用的火嘴、看火孔、人孔等)，就能明显提高采暖炉的热效率。
第三、减少热量散失。加热炉炉体暴露空气中，热量交换散失是不可避免的，但是我们可以通过对其进行加装保温材料，达到减少热交换散失的目的。加热炉中燃烧所产生的热量首先会传到加热炉内壁，之后热量就会传到炉的外壁，进而消散到空气中，导致热量流失。但新生产的加热炉这一现象得到有效地控制，热量流失不是太严重，所以使用是是可以放心，但是旧的加热炉就需要注意保养和维护了。还需要日常运行过程中对控制炉膛温度，不能超温，以避免烧坏炉墙，导致炉壁温度不均匀升高，散热损失增大，同时要对炉子搞好检修，保证炉墙不出现大的裂纹、孔洞，不让烟气串入到炉墙和炉壁之间造成炉壁局部温度过高。
第四、搞好加热炉的日常工艺操作，加强外部巡检人员的责任心，保证燃料燃烧完全，采用多火嘴，短焰，齐苗，火焰不扑到炉管上的操作，严防出现局部过热；严格按照工艺指标参数控制好炉出口温度，在操作中做到勤检查，细分析，稳调控；火嘴数量及阀位开度根据炉子负荷及时调整；保持炉膛合适的负压，炉膛在保持炉膛清晰明亮，火焰正常的情况下；保持适当合适的负压，同时炉膛清晰明亮，火焰正常；火苗在烧瓦斯时火焰无力摆来摆去，呈颜色暗红，增加烟道挡板或风门，若火焰过长，可适当增大风门或者关小烟道挡板；检查炉管及弯头箱有无变形，炉墙、管架，管钩的颜色是否基本一致，如有局部发红则表现为局部过热。
3制约加热炉节能的主要因素
3.1降低烟尘排烟温度
降低烟尘排放温度理论上是可行的，但实际上面临着大量的技术难困难，需要解决的费用问题极为突出。排烟温度高，降温还算轻松，当排烟温度低时，难度就暴增了。并且烟气露点温度也制约着热效率的提高，原料油中的硫、氯、氮等元素会形成酸性物质夹杂在燃料气中，当低温情况遇到水以后会形成酸性物质，对炉管及热管形成腐蚀，并很快就会形成穿孔，所以想要达标是非常困难的。
3.2降低炉外壁温度
隔热材料的成本问题是降低炉外壁温度的制约因素。像比较好的隔热材料，他的造价成本一般都非常的高，如果对加热炉强加隔热，或者外部进行大量的保温处理，很可能是省下来的燃料费还不如购买隔热材料的费用高，完全与节能降耗，降低成本的理念背道而驰。
3.3环境保护的制约
提高采暖炉效率最常见的方式是空气预热，但当温度升高时，氮氧化物浓度也会随之升高，如果不加处理就排放，很容易造成大气污染，尤其现在国家对大气污染的治理力度越来越大，硫化物，氮氧化物的含量要求也越来越高，对采暖炉燃烧后产生的烟气中氮氧化物的含量要求不符合现在的环保政策，因此，氮氧化物的排放不符合环保要求。
4总结与展望
对加热炉所用的燃料进行脱硫脱氯脱氮等处理不仅可以提高加热炉的加热效率，还可以提高炼油厂成品油的品质，这是因为燃料中的杂质能在加热时影响炼油工程的质量，并且还会形成硫化物、氮化物进而污染空气不利于环境保护工作的展开，所以对燃料的净化要重视起来。同时我们也相信余热回收可以通过开发新工艺来解决。通过改变换热流程，增加余热回收装置，这种工艺的已经在试验当中了，并且该工艺已经取得突破性的进展，在多家炼油厂原始设计就附带该类余热回收系统，同时有部分炼油厂对加热炉内部的炉管进行喷涂吸热涂料，对炉墙进行喷涂隔热涂料，我们相信炼油装置的加热炉节能问题将不再会对炼油企业产生很大的困扰。同时对于使用燃料器气的装置，比如连续重整，常解压装置，焦化装置等如果能充分运行好加热炉将对整个装置的节能降耗工作会起到很大推动的作用，同时也是给企业带来效益的关键点，特别是近几年原油一直处在高价位的状态，也可以说加热炉的节能降耗，能够保住一个企业的生存状态。
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